方春華　湯世祥　潘明龍

(三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌　443002)

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10 kV電纜中間接頭典型缺陷仿真分析

方春華湯世祥潘明龍

(三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌443002)

摘要：10 kV電纜中間接頭作為電纜絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，任何施工缺陷均有可能引起電場畸變產生局部放電，導致缺陷周圍絕緣材料逐漸劣化，最終可能引發(fā)電纜擊穿的嚴重事故．為評估10 kV電纜中間接頭主絕緣劃傷、主絕緣雜質、連接管毛刺、半導電層剝離不齊4種典型施工缺陷的危害性，本文首先分析4種缺陷故障發(fā)生機理，然后利用有限元分析方法對中間接頭缺陷進行電場仿真分析，確定了各個典型缺陷周圍電場畸變率．結果表明，主絕緣劃傷存在空氣隙時，在空氣隙周圍電場強度畸變2.25倍；主絕緣因施工導致雜質殘留時，雜質周圍電場強度畸變2.8倍；當連接管壓接后存在毛刺時，毛刺周圍電場強度畸變2倍；外半導電層剝離不齊導致其周圍電場強度畸變1.5倍．4種典型缺陷均會引起較大的電場畸變，容易引發(fā)局部放電發(fā)生，但潛在風險程度卻不盡相同，研究結果可用于指導電纜中間接頭施工和電纜故障原因分析．

關鍵詞：電力電纜；中間接頭；典型缺陷；有限元分析；電場畸變

隨著城市電網和農村電網改造工程進行，電力電纜在電力系統(tǒng)中的應用日益廣泛．與架空線路相比，地下電纜具有占地空間小、受外界環(huán)境因素影響小、不影響城市美觀等一系列優(yōu)點，因此，被廣泛應用．

電力電纜的運行中，中間接頭一直是其薄弱環(huán)節(jié)，配網中發(fā)生故障率最高的絕緣故障是電纜中間接頭，據(jù)以往配網故障發(fā)生概率表明，電纜中間接頭故障大約占到整個絕緣故障中的27%[1]．其中常見典型施工缺陷主要有主絕緣劃傷、主絕緣雜質、連接管毛刺、外半導電層剝離不齊[2-5]．造成4種典型缺陷的原因主要是由現(xiàn)場施工導致的，據(jù)調研發(fā)現(xiàn)，由于施工單位人員素質參差不齊，無法避免施工缺陷的出現(xiàn)，然而，實際運行情況表明，施工缺陷導致的故障案例又占到了中間接頭故障中絕大多數(shù)，因此，針對施工缺陷開展缺陷潛在風險評估具有重大意義．

文獻[1]研究分析了連接管與內應力錐之間含空氣隙和無纏繞絕緣帶兩類缺陷，利用振蕩波測試系統(tǒng)對缺陷進行高壓試驗，驗證了該類缺陷能夠有效被OWTS檢測．文獻[4]采用試驗設計和模擬了壓接管尖角未打磨、主絕緣環(huán)形劃痕、壓接觸錯用絕緣膠帶3種典型缺陷模型，利用脈沖電流法對其放電信號進行了現(xiàn)場測試，并從3種缺陷的放電極性、放電頻率隨電壓升高的變化關系進行試驗分析，發(fā)現(xiàn)不同缺陷表現(xiàn)的規(guī)律不同．以上文獻從試驗角度對施工缺陷進行研究分析，說明現(xiàn)場施工缺陷對電力電纜中間接頭安全穩(wěn)定運行具有重大威脅，但是，采用對比法對典型施工缺陷周圍電場仿真分析，并研究施工缺陷周圍電場畸變嚴重程度，通過電場畸變程度確定對中間接頭穩(wěn)定運行危害程度最大施工缺陷的相關研究較少．

基于目前研究基礎，從時諧電場基本公式出發(fā)，用有限元分析軟件對電纜中間接頭電場分布進行仿真計算[6-7]，研究中間接頭主絕緣劃傷、主絕緣存在雜質、連接管殘留毛刺、外半導電層剝離不齊這4種典型缺陷情況下的電場分布情況，探究最大電場存在位置與電場畸變程度，據(jù)此確定4種典型缺陷對電纜中間接頭的危害程度，為現(xiàn)場施工提供一定指導意見．

1模型建立

1.1電場分析

高壓電氣設備主要工作在工頻50 Hz情況下，電極間電壓隨時間的變化比較緩慢，而對于靜止或變化較慢的電動勢引起的任一瞬間電場，可按靜電場分析[8-10]．在靜電場二維情況下，邊界為c的平面域D中，電荷密度為ρ，介電常數(shù)為ε，電位φ在邊界c上滿足第一類邊界條件[11-14]：

(1)

電場能量泛函為

(2)

泛函變分為

(3)

聯(lián)立方程可得電場能量最小的條件為

(4)

其中，δ為變分符號；E為單位場強；為哈密頓算符；D為積分面積．

因邊界電位已知，將定義域D剖分成有限個離散多邊形子域(三角形)，待解函數(shù)Φ在每一個單元內可以用一個合適的插值函數(shù)U(x，y)來近似[15-16]，設U用坐標的形函數(shù)矩陣[N]和節(jié)點勢函數(shù)矩陣[φ]的線性組合來表示：

(5)

(6)

(7)

插值函數(shù)U(x，y)=φk，由于部分子域電位已知，故可聯(lián)立方程求解插值函數(shù)的數(shù)值解．由所得電位分布，即可利用方程(2)計算各子域場強大小及能量分布．

1.2物理模型

電力電纜是近似軸對稱，因此，建立電纜中間接頭的二維平面模型進行有限元分析計算，得出電纜中間接頭靜電場分布和數(shù)值大?。畢⒖紝嶋H10 kV XLPE電纜中間接頭的內部結構，建立如圖1所示仿真模型．圖1中各個結構部分材料屬性及尺寸參數(shù)見表1．

圖1　仿真模型

名稱材料電阻率Ω·mm2/m相對介電常數(shù)厚度/mm長度/mm導體線芯銅0.01724110000101556絕緣層XLPE10142.53.41406半導電層XLPE10010000.6182屏蔽層銅0.017241-0.1956空氣--1--金屬雜質銅0.01724110000--砂石--100--

24種典型缺陷機理分析

2.1主絕緣劃傷及殘留雜質

均勻介質的電纜電場是標準圓柱形電場，因電纜長度和半徑不可比擬，所以可以忽略復雜的邊緣效應，采用柱面坐標，根據(jù)高斯定理，在積分過程中，可只計算圓柱側面積的電場矢量通量．又因對稱關系，圓柱側面上各點的場強在數(shù)值上均相等．則

(8)

式中，r為絕緣中任意一點到絕緣中心間距離；τ為線電荷密度；ε為介電常數(shù)，故

(9)

設一電纜，線芯半徑(含內半導電屏蔽層)為rc，絕緣外徑為R，如圖3所示，則相電壓與場強的關系為

(10)

由圖2可知，現(xiàn)場施工中因操作人員施工不當造成主絕緣劃傷和殘留雜質后，則改變了該處結構，相應電場會發(fā)生改變，缺陷處在長時間的電場作用下會發(fā)生緩慢放電，最終可能導致接頭故障．

圖2　電場與半徑關系曲線

2.2連接管毛刺

連接管表面存在明顯毛刺即相當于表面有尖形導體，當尖形導體帶電后處于靜電平衡狀態(tài)時，由于電場力做功的影響，使得導體上的自由電荷能量增加，原來占據(jù)較低能級的自由電荷將去占據(jù)較高能級，而較高能級則局限于導體表層，因此，這些具有較高能量自由電荷將移向導體表面．

根據(jù)能帶論可知，當尖形導體帶電，導體內具有較高能量的自由電荷必然優(yōu)先占據(jù)尖端部位較低的高能級，再依次去占據(jù)其他較高、更高的能級．當金屬尖針上帶正電時，針尖面積S小，其電荷密度σ大，由公式E=σ/S，得出尖端附近的電場強度十分大，其附近的空氣分子產生電離，即所謂的尖端放電．

2.3半導電層剝離不齊

半導電層結構改善徑向電場分布是基于半導電層介電系數(shù)大于絕緣層介電系數(shù)的分階原理，即加上半導電層后介電系數(shù)分布狀況的改變，導致電場分布的改變即半導電層的場強效應．有無半導電層的場強E和半徑r的關系曲線如圖3所示，圖中虛線為無半導電層的電場分布，實線為有半導電層的電場分布．在半導電層和絕緣層的分界面上電位移D線是連續(xù)的而電場強度E線是不連續(xù)的，即分界面上E線是躍變的，因電場分布遵循極化規(guī)律，分界面上存在極化束縛電荷，分界面成為E線的源．

談及醫(yī)院日間手術案例背后的管理思路，張志堯首先指出，任何一個新項目的開展，必須要從醫(yī)院整體服務需求出發(fā)，制定制度，這是醫(yī)院管理的核心。

圖3　半導電層場強與半徑關系曲線

圖4　內外半導電層等值電路

內外半導電層的介電系數(shù)ε1與ε2可以通過測量電纜的電容來計算，設半導電層電容為C1、絕緣層電容為C2、介電系數(shù)各為ε1、ε2，按圓柱形電容公式得：

(11)

式中，d1、d2、d3分別為線芯外徑、內半導電層外徑、絕緣層外徑．電纜總電容C為C1、C2串聯(lián)之和：

(12)

將(11)式帶入(12)式可得半導電層ε1：

(13)

假設半導電層上電壓為U1、絕緣層上電壓為U2、外加電壓為U，則按高斯定律：

(14)

同時半導電層與絕緣層上最大場強分別為Emax1和Emax2，以芯線半徑rc、半導電層外徑r1、半導電層ε1、絕緣層ε2、絕緣層外徑r2帶入Emax1和Emax2計算式進行推導得：

(15)

由于rc≈r1，半導電層ε1大于絕緣層ε2，故半導電層電場強度大于線芯導體表面電場強度．

3中間接頭有限元仿真及分析

3.1正常情況下電場分布

仿真分析中所需材料尺寸和參數(shù)見表1所示，定義的單元類型為plane121，指定電場分析，并建立軸對稱模型，設置的網格尺寸等級為5，指定的劃分單元為三角形，最后在面上生成單元所必需的節(jié)點單元，并自動給節(jié)點編號．正常情況下中間接頭電場分布如圖5所示．

圖5　正常情況中間接頭電場分布

正常情況下電纜中間接頭最大場強位于主絕緣與導體接觸處，電場強度達到2.12 MV/m，半導電層、主絕緣及應力錐附近電場強度在0.53～1.06 MV/m之間，應力錐附近電場較均勻，表明應力錐在均勻電場方面起到應有作用．

3.2主絕緣劃傷

剝除半導電層時，容易損傷主絕緣，特別是在外半導電層切斷處主絕緣極易留下刀痕，當整個接頭制作完成之后，半導電層切斷處會存在空氣隙，該處容易引發(fā)局部放電，其仿真結果如圖6所示．

圖6　主絕緣劃傷電場分布

由圖6發(fā)現(xiàn)，主絕緣劃傷后存在空氣隙時，空氣隙周圍的電場會發(fā)生畸變，由于空氣隙的存在會改變原來的靜電場分布，使空氣隙附件區(qū)域電場強度普遍增大，電場強度在1.63～3.66 MV/m之間．而通常為了避免電纜主絕緣發(fā)生局部放電，沿主絕緣表面軸向電場強度通?！?.3 MV/m，主絕緣劃傷而存在空氣隙，且此時空氣隙周圍電場強度遠遠超過規(guī)定要求，因此，在空氣隙周圍會發(fā)生局部放電，并逐漸使其周圍絕緣材料絕緣失效，最終可能引發(fā)絕緣擊穿．

3.3主絕緣雜質

現(xiàn)場安裝中間接頭時，會因各種原因導致雜質殘留在主絕緣上，主絕緣殘留雜質導致的中間接頭故障也時常發(fā)生，仿真結果如圖7所示．

圖7　主絕緣殘留雜質時電場分布

當主絕緣表面存在砂石雜質時，主絕緣表面懸浮的砂石使其周圍的局部電場有所增強，如圖7所示，電場從0.3 MV/m增加到0.84 MV/m，電場強度增加了2.8倍，因此，砂石附件會產生懸浮電位，懸浮電位電壓高，場強較集中，一般會使周圍介質燒壞或炭化，容易發(fā)生局部放電，并逐漸向周圍擴展，使整個主絕緣逐漸劣化，最終接頭可能被擊穿．

3.4連接管毛刺

連接管現(xiàn)場壓接后，可能會在連接管上存在毛刺，施工人員雖然會進行毛刺打磨，但殘留毛刺的情況仍然較普遍，針對此情況仿真結果如圖8所示．

圖8　連接管存在毛刺時電場分布

由圖8可知，壓接管毛刺周圍的電場強度從0.63 MV/m增加到1.26 MV/m，電場強度增加2倍，容易在毛刺周圍發(fā)生尖端放電，導致毛刺周圍絕緣劣化，最終可能喪失絕緣性能．

3.5半導電層剝離不齊

面對緊急搶修任務時，施工人員為了在規(guī)定時間完成任務，可能會導致半導電層剝離不齊的現(xiàn)象時有發(fā)生，針對此種典型施工缺陷的仿真結果如圖9所示．

圖9　半導電層剝離不齊時電場分布

外半導電層斷口處存在的半導電尖端可以使其周圍主絕緣層處電場明顯集中，電場從0.42 MV/m增加到0.64 MV/m，電場強度增加1.5倍，容易產生沿主絕緣表面向導體接頭方向爬電，說明接頭內部關鍵部位尺寸稍微的改變就會導致靜電場分布的改變，易引起電場畸變．

4結論

本文分析了4種典型施工缺陷導致中間接頭發(fā)生故障的機理，并根據(jù)10 kV中間接頭實際模型建立了有限元仿真模型，計算4種典型缺陷周圍電場分布情況，得到如下結論：

1)應力錐能夠有效控制中間接頭斷面處的電場集中，起到均勻電場的作用．

2)空氣隙周圍電場較集中，其周圍可能會發(fā)生局部放電，并逐漸使其周圍絕緣材料絕緣失效，最終可能引發(fā)絕緣擊穿．

3)主絕緣表面砂石雜質周圍電場強度增加2.8倍，因此，砂石附件會產生懸浮電位，懸浮電位電壓高，場強較集中，可能會使周圍介質燒壞或炭化，容易發(fā)生局部放電，并逐漸向周圍擴展，使整個主絕緣逐漸劣化．

4)連接管毛刺周圍電場強度增加2倍，缺陷周圍易發(fā)生尖端放電，使毛刺周圍絕緣材料逐漸劣化；半導電層剝離不齊引起的電場畸變程度是4種典型缺

陷中最小的情況，電場增加1.5倍，易引發(fā)沿主絕緣表面向導體接頭方向爬電．

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[責任編輯王康平]

收稿日期：2016-01-05

基金項目：三峽大學人才啟動基金(項目號：KJ2014B054)

通信作者：方春華(1980-)，男，博士，講師，主要從事高電壓絕緣與在線監(jiān)測技術方面的研究工作．E-mail： fang107531@sohu.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.013

中圖分類號：TM247

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)02-0055-05

Simulation Analysis of Typical Defects in 10 kV Cable Joints

Fang ChunhuaTang ShixiangPan Minglong

(College of Electrical Engineering & Renewable Energy, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractThe cable joint of 10 kV cable is a weak link for cable insulation; any insulation defects will produce partial discharge, resulting in the gradual deterioration of the insulating material surrounding the defect and may eventually lead to serious accidents. In order to study the risks of the four typical construction defects on middle joint of 10 kV cable, i.e. main insulation scratches, the main insulation impurity, the connection pipe burr and the uneven peeling of semiconductive layer, this paper analyzes the typical failure mechanism of defect and then using the finite element method(FEM) to study the middle joint electric field to determine the distortion of the electric field around each typical defects. The results show that the presence of the air gap on the primary insulation will lead to the distortion of electric field about 2.25 times; the residual impurities of the main insulation due to construction will cause the distortion of electric field about 2.8 times; when the connection pipe has burr around the pipe, the distortion of electric field will be around 2 times; the uneven peeling of the semiconductive layer will lead to distortion of the electric field around 1.5 times. Four typical defects cause a large distortion of the electric field, which will easily lead to partial discharge occurs; but the potential level of the risk is not the same. The research results can be used to guide the construction and cable fault analysis for the middle joint of power cable.

Keywordspower cable;cable joints;typical defects;FEM;field distortion